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鋰離子電池熱效應原理解說

用過電池的朋友相信都感受過電池發熱的情況,當然大多數情況下的電池發熱是在可控且安全的范圍內的,但是也有少部分是不可控的,導致電池自燃爆炸事故的,這個主要是因為鋰離子電池熱效應超過了可控范圍的原因,那么鋰離子電池熱效應原理是怎么樣的呢?

1、電池熱效應產生的原因

鋰離子電池分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次型電池。工作的時候,靠鋰離子在正負極之間的移動來實現電池的充放電。目前鋰離子電池正極材料主要使用的是L iCo O2,充電時,電池兩極間的電壓迫使正極的L iC o O 2 釋出鋰離子,嵌入電池負極排列呈片層結構的鋰-碳化合物中;放電時,鋰離子則從負極片層結構的鋰-碳化合物中析出,重新和正極的化合物結合,鋰離子的移動產生了電流,這個過程會產生熱量,這些鋰離子數量過大的時候,就會開始發生過大的熱量,而散熱跟不上的時候,那么就會發生發熱失控的情況。

2、離子電池的熱效應模型

鋰離子電池從外形分類一般分圓柱形和方形,而聚合物鋰離子還可制成任意形狀。根據鋰電池熱效應的基本原理,建立一個直角坐標系內的空間鋰離子電池熱效應數學模型,用數學的方式描述鋰離子電池熱效應的基本狀態。數學模型的建立通常實在理想的情況下進行的,鋰電池的熱效應數學模型也不例外,這就要求我們對電池進行必要的簡化,具體簡化如下:

鋰離子電池熱效應原理

( 1 ) 因為我們分析的是液態鋰離子電池,其內部電解液幾乎不流動,可以將電解液的對流散熱效應忽略。

(2)鋰電池在工作過程的輻射熱影響非常小,可以忽略不計。

(3)因為數學模型是在理想情況下建立的,假定電池的各種參數不變,忽略溫度對其的影響。

(4)電池的正負極及電解液的材料是各項同性的。

(5)熱量在電池內部是均勻分布的。

(6)鋰電池在各個方向上具有相同的導熱系數。

離子電池在充、放電的時候,會發生極化反應,平均電壓與開路電壓在這種情況下會產生偏差,由于這種電壓偏差而產生的熱量就叫做極化熱, 極化熱在鋰離子電池充放電的時候都為正值。

鋰離子電池的電極存在著自放電的現象從而會引起電極的分解,由于電極自放電而產生的熱量叫分解熱,這部分熱量在充放電的時候都很小,可以忽略不計。鋰離子電池內部的電阻在充放電過程中因為發熱而產生的熱量稱為焦耳熱,這部分熱量都為正值。

通常情況下,鋰離子電池在放電的時候產生的熱量要大于鋰離子電池在充電的時候產生的熱量,根據情況,該文只探討電池在充放電過程中產生的熱量,并根據熱量產生的狀態采取一定的散熱措施, 從而對電池充放電起到保護的作用。

新能源汽車使用的動力鋰離子電池對快速充電和大電流放電有較高要求, 在汽車各種工況行駛中必須要考慮鋰離子電池在各種工況下所過放電是產生的巨大熱量,基于這種情況,有效降低鋰離子電池產生的熱量和及時將鋰離子電池產生的熱量散發出去是當前新能源汽車使用鋰離子電池必須面對的一個難題。該文中通過對鋰電池加載一個有效的近似于真實充放電的變化,模擬電池在真實使用環境中的溫度變化情況,對比了在距離冷卻液較勁和較遠兩種狀態下電池板的溫度狀況,電池中冷卻液流速情況及冷卻液通過冷卻通道時的流速等情況,進一步分析了鋰電池在工作過程中產生的熱量情況,從而為研究解決電動汽車用鋰電池的熱效應問題提供可靠地參考。

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